基于光纤表面波导光强变化检测石油产品倾点的传感装置及其检测系统和检测方法

本发明涉及石油产品倾点检测技术，尤其涉及一种基于光纤表面波导光强变化检测石油产品倾点的传感装置及其检测系统和检测方法。

背景技术：

1、倾点（pourpoint）是石油产品在规定条件下冷却时，能够保持流动性的最低温度，是衡量润滑油、柴油、燃料油及原油等石油产品低温流动性能的重要质量指标，对于产品质量控制及低温储存运输具有重要的实际意义。目前，石油产品倾点的检测主要依据国家标准gb/t3535《石油产品倾点测定法》或国际标准astmd97执行，其测定方法主要有人工目视法和自动倾斜法两种。

2、人工目视法将待测油样装入标准倾点试管至规定高度，置于可控冷却装置中以每3℃的温度间隔逐步降温，在每个检测温度点将试管从冷浴中取出，倾斜至45度角并保持5秒，由操作人员肉眼观察试管内液面是否流动，若液面静止则记录当前温度加3℃作为倾点值。该方法存在明显不足：倾点判定高度依赖操作人员的主观经验和视力状况，重复性和再现性较差；每次检测需完成取出、倾斜、观察、复位等多个手工操作，单样检测周期长达30至60分钟，效率低下；低温检测环境下操作人员需频繁接触极低温试管，存在冻伤风险且试管表面结霜进一步干扰观察；整个判定过程无客观物理量记录，检测数据不可追溯。

3、自动倾斜法采用步进电机驱动机械传动机构实现试管的自动倾斜和复位，同时通过光电传感器或ccd摄像头采集液面图像，利用图像处理算法自动判定液面是否流动。然而，该自动倾斜法仍存在以下不足：光学检测系统的ccd摄像头和光电传感器需要通过透明窗口观察试管内部液面，在低温检测过程中油样挥发的油雾和水蒸气会在窗口表面冷凝沉积，当检测温度低于零下30℃时窗口表面还会结霜，导致光学系统成像质量严重下降甚至完全失效；ccd图像传感器、光电二极管等电子元件在零下50℃以下会出现响应度下降、噪声增大乃至失效的问题，限制了设备的最低检测温度范围；此外，复杂的光学检测系统导致设备体积庞大、整机重量大，难以实现微型化和便携化。

技术实现思路

1、为了解决上述现有技术的不足，本发明提供一种基于光纤表面波导光强变化检测石油产品倾点的传感装置及其检测系统和检测方法，具有小型、高效、易携带等优势，且倾点检测的精度和灵敏度均较高。

2、本发明所要解决的技术问题通过以下技术方案予以实现：

3、一种基于光纤表面波导光强变化检测石油产品倾点的传感装置，包括：

4、标准倾点试管，用于盛载待测油样；

5、光纤表面波导传感器，包括沿轴向级联的第一单模光纤、无芯光纤和第二单模光纤，所述无芯光纤内部写制有光波导结构，所述光波导结构的两端分别与所述第一单模光纤和第二单模光纤的纤芯相连接，所述光波导结构的中间朝所述无芯光纤的外侧面偏置设置，以在所述无芯光纤的外侧面产生强倏逝场；所述无芯光纤贴附于所述标准倾点试管的内管壁上，且稍微高于所述待测油样在所述标准倾点试管内规定的液面高度；

6、光源激光器，用于向所述光纤表面波导传感器内发射探测光信号，与所述第一单模光纤的另一端相连接；

7、光功率计，用于接收所述光纤表面波导传感器透射的探测光信号，与所述第二单模光纤的另一端相连接。

8、进一步的，所述光波导结构的中间与所述无芯光纤的外侧面相平行。

9、进一步的，所述光波导结构的折射率高于空气的介质折射率，以使当所述无芯光纤的外部介质为所述空气时，所述探测光信号能够在所述光波导结构和无芯光纤之间的界面处发生全反射，从而将所述探测光信号有效约束在所述光波导结构中传输；所述光波导结构的折射率低于或接近所述待测油样的折射率，以使当所述无芯光纤的外部介质为所述待测油样时，所述探测光信号能够在所述光波导结构和无芯光纤之间的界面处发生泄露，从而耦合进所述待测油样中。

10、进一步的，所述标准倾点试管及光纤表面波导传感器的数量有一组或多组，每个光纤表面波导传感器的无芯光纤贴附于对应标准倾点试管的内管壁上；

11、当所述标准倾点试管及光纤表面波导传感器的数量有多组，且所述光功率计为多通道功率计时，所述传感装置还包括1×n光纤耦合器和n×1光开关，所述光源激光器通过所述1×n光纤耦合器分别与各个光纤表面波导传感器相连接，各个光纤表面波导传感器通过所述n×1光开关依次与所述光功率计相连接；

12、当所述标准倾点试管及光纤表面波导传感器的数量有多组，且所述光功率计为多通道功率计时，所述传感装置还包括1×n光纤耦合器，所述光源激光器通过所述1×n光纤耦合器分别与各个光纤表面波导传感器相连接，各个光纤表面波导传感器分别与所述光功率计的对应通道相连接。

13、进一步的，所述光源激光器为输出波长在1260nm至1625nm范围之间的光源激光器，选自ase宽带激光器、sled激光器、dfb激光器、fp激光器或发光二极管配合窄带滤波器的组合光源中的任意一种。

14、一种石油产品倾点的检测系统，包括：

15、上述的传感装置；

16、可控冷却装置，用于放置所述传感装置的标准倾点试管，以对所述标准倾点试管内的待测油样进行程序降温处理；

17、自动倾斜装置，用于带动所述可控冷却装置内的标准倾点试管在竖直状态和倾斜状态之间切换；

18、温度传感器，用于实时监测所述待测油样的温度，其感测端浸于所述待测油样中；

19、控制与数据处理单元，与所述光源激光器、光功率计、可控冷却装置、自动倾斜装置以及温度传感器分别连接，用于控制所述可控冷却装置的程序降温过程、控制所述自动倾斜装置的切换动作、采集所述光功率计的透射光强数据和所述温度传感器的温度数据，并根据所述透射光强数据判定所述待测油样的倾点。

20、进一步的，所述传感装置和温度传感器的数量有一组或多组，每个温度传感器的感测端浸于对应标准倾点试管内的待测油样中。

21、进一步的，所述控制与数据处理单元的控制与数据处理过程如下：

22、先控制所述光源激光器向所述光纤表面波导传感器内持续发射探测光信号，并实时采集所述温度传感器输出的温度数据，然后控制所述可控冷却装置从预设的起始温度开始，按照预设的温度差对所述标准倾点试管内的待测油样进行程序降温处理，以使所述待测油样依次达到并维持在各个检测温度，并控制所述自动倾斜装置在每个检测温度中将所述标准倾点试管由竖直状态切换至倾斜状态，同步采集所述光功率计输出的透射光强数据，以计算所述光纤表面波导传感器在各个检测温度的倾斜过程中的最大光强差，当所述最大光强差小于预设的光强差阈值时，在与该最大光强差对应的检测温度的基础上，增加预设的温度差以作为所述待测油样的倾点。

23、一种石油产品倾点的检测方法，基于上述的传感装置；所述检测方法包括如下步骤：

24、步骤1：将所述标准倾点试管切换至竖直状态，然后将所述待测油样装入所述标准倾点试管中，并达到规定的液面高度；

25、步骤2：通过所述光源激光器向所述光纤表面波导传感器内持续发射探测光信号，并通过所述光功率计持续接收所述光纤表面波导传感器透射的探测光信号，以及通过温度传感器实时监测所述待测油样的温度；

26、步骤3：对所述标准倾点试管内的待测油样进行程序降温处理，直至所述待测油样达到预设的起始检测温度；

27、步骤4：将所述待测油样维持在该检测温度，将所述标准倾点试管切换至倾斜状态，并实时采集所述光功率计输出的透射光强数据，以获得所述光纤表面波导传感器在该检测温度的倾斜过程中的最大光强差；

28、步骤5：判断所述最大光强差是否小于预设的光强差阈值，若是，则进行步骤6，若否，则将所述标准倾点试管切换至竖直状态，并按照预设的温度差继续对所述标准倾点试管内的待测油样进行程序降温处理，直至所述待测油样达到下一检测温度，然后重复步骤4和步骤5，直至所述最大光强差小于预设的光强差阈值；

29、步骤6：在与该最大光强差对应的检测温度的基础上，增加预设的温度差以作为所述待测油样的倾点。

30、进一步的，所述检测方法还包括如下步骤：

31、步骤7：以各个检测温度及其最大光强差分别作为横轴和纵轴，绘制所述待测油样的检测温度与最大光强差之间的关系曲线，并在所述关系曲线上标注所述倾点。

32、本发明具有如下有益效果：

33、1、本发明通过所述光功率计定量检测所述光纤表面波导传感器的透射光强变化，将传统人工目视法中“液面是否流动”的主观判断转化为“光强是否变化”的物理量测量。由于倾点判定完全由所述控制与数据处理单元依据预设的光强差阈值自动完成，不同操作人员、不同批次的检测结果具有良好的一致性和可重复性，从根本上消除了人为因素对检测结果的影响。

34、2、本发明的光纤表面波导传感器为全光纤无源器件，不含任何电子元件，在极端低温下光学性能和机械性能均无衰减，所述光源激光器和光功率计可置于常温环境中，仅通过光纤与所述光纤表面波导传感器连接，彻底解决了现有自动倾斜法中ccd图像传感器、光电二极管等电子元件在低温下响应度下降、噪声增大乃至失效的问题，使得本发明能够稳定工作在零下50摄氏度乃至更低的检测温度范围内。

35、3、本发明的核心传感元件为由第一单模光纤、无芯光纤和第二单模光纤级联而成的光纤表面波导传感器，无需复杂的机械倾斜机构和光学检测系统，所述无芯光纤段直接贴附于所述标准倾点试管的内管壁上，结构极为简洁，体积和重量相较于现有自动倾斜法设备大幅减小，可降低所述标准倾点试管倾斜时设备产生的整体振动，同时配合小型化的光源激光器和光功率计，可开发出手持式便携倾点检测仪，适用于野外现场检测和在线监测等移动应用场景。

36、4、本发明的光纤传感结构天然支持多路并行扩展，通过所述1×n光纤耦合器即可将单路光源分光至多个标准倾点试管，配合多通道光功率计或n×1光开关的轮询检测，可轻松实现多路油样的并行或准并行检测，单批次检测时间相较于传统方法可缩短数倍以上，特别适合质检机构和生产企业的批量检测需求。

37、5、本发明的整个检测过程由所述光功率计实时记录透射光强数据，所述控制与数据处理单元可自动生成各检测温度与最大光强差之间的关系曲线，并标注倾点判定位置，其检测数据以电子文档形式存储，当出现检测结果争议时可提供可复核的客观证据，克服了传统目视法检测数据不可追溯的缺陷。

38、6、本发明基于倏逝场与外部介质的耦合效应实现检测，所述倏逝场的穿透深度在数百纳米量级，对光纤表面介质的折射率变化极其敏感，这一物理机制确保了倾点判定的高灵敏度和高准确性。